PC機(jī)與CPLD通信問題的研究

摘要：根據(jù)PC機(jī)作上位機(jī)和下位機(jī)的CPLD串行通信的特點(diǎn)，簡(jiǎn)介上位機(jī)VB程序的編寫；詳述在EDA軟件MAXPLUSII的環(huán)境下，利用AHDL語言，編寫下位機(jī)程序。此設(shè)計(jì)具有波特率高、傳輸準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，并下載到芯片通過硬件試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：串行通信 可編程邏輯器件 VB語言

引言

用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）設(shè)計(jì)乃至仿真、驗(yàn)證、利用ISP（在系統(tǒng)可編程）對(duì)硬件調(diào)試都非常方便，所以開發(fā)周期很短，且I/O口隨意設(shè)定，故用CPLD設(shè)計(jì)專用芯片是大勢(shì)所趨。VB是一種面向?qū)ο蟮母呒?jí)語言，應(yīng)用這的通信控件編寫上位機(jī)的通信程序十分方便，過程簡(jiǎn)單。本文針對(duì)CPLD和PC通信的特點(diǎn)，各編寫了上位機(jī)和下位機(jī)的程序，進(jìn)行相對(duì)高速的串行通信。

1 上位機(jī)和下位機(jī)通信特點(diǎn)簡(jiǎn)介

根據(jù)串行通信的協(xié)議，發(fā)送串行數(shù)據(jù)一般是：1個(gè)起始位、n個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)或多個(gè)停止位。這樣，發(fā)送起始位以后表明傳輸開始。傳送與接收的雙方設(shè)定好同樣的傳輸位數(shù)，直到n個(gè)數(shù)據(jù)位送完以后，送停止位。上位機(jī)和下位機(jī)的電平標(biāo)準(zhǔn)不同，它們通過RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，在兩者之間接入RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片即可。上位機(jī)和下位機(jī)的傳輸是異步傳輸，這樣就需要有一個(gè)參考脈沖代表傳輸速度即波特率。通信雙方取得一樣的通信速度bps，指的是每一秒鐘所傳送的位數(shù)。現(xiàn)在儀器和工業(yè)場(chǎng)合，一般9 600 bps是最常見的速度，而現(xiàn)在個(gè)人計(jì)算機(jī)PC所提供的串行速度可 115 200bps（甚至921 600 bps）。因?yàn)槌Ｓ玫膯纹瑱C(jī)MCU的軟件是過程語言，以其作為下位機(jī)，無法提供這么高的波特率，即使是較低的波特率也可能產(chǎn)生誤差。所以在傳輸距離較近而設(shè)備也可提供時(shí)，使用最高的傳輸速度也可以。CPLD的軟件是非過程語言，也就是說其邏輯段定義的所有動(dòng)作是同時(shí)進(jìn)行的而不是串行的，所以完全可以提供這樣的高速下位機(jī)UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）。

2 上位機(jī)VB程序

上位機(jī)軟件利用VB6編寫。微軟的VISUAL BASIC語言有極其友好的界面，深受廣大編程人員的好評(píng)。其可視化特點(diǎn)得到了很好的發(fā)揮，其中的MSCOMM控件非常方便編寫軟件，將最低層的部分隱蔽，只要了解自己需要的參數(shù)即可順序編寫上位機(jī)軟件?，F(xiàn)在簡(jiǎn)介該控件的各項(xiàng)參數(shù)：

CommPort——指定串行口；

PortOpen——串口是否打開；

InPut——輸入寄存器；

Output——輸出寄存器；

InBufferSize——輸入緩沖區(qū)大小；

OutBufferSize——輸出緩沖區(qū)大小；

InputLen——一次由串行端口讀入字符串長(zhǎng)度或字節(jié)個(gè)數(shù)；

Settings——設(shè)備波特率、傳輸數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位；

InputMode——輸入的是數(shù)據(jù)類型（文字形式或是二進(jìn)制形式）。

上位機(jī)程序要和下位機(jī)配合起來。主要須考慮的問題是波特率、輸入輸出數(shù)據(jù)類型。對(duì)于從下位機(jī)到上位機(jī)輸出數(shù)據(jù)的情況，可作以下處理（反之類似）：

Settings 115200，n,8,1（波特率115 200bps，校驗(yàn)位默認(rèn)，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位）

對(duì)于上位機(jī)，將輸入的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)形式獲取要通過以下的轉(zhuǎn)換：

Dim data() As Byte

Private Sub Timer1_Timer()

data()=MSComm1.Input

For i=LBound(data)To UBound(data)

Text2.Text=data(i)

Next

End Sub

在串口打開的情況下，利用定時(shí)器定時(shí)從下位機(jī)獲取數(shù)據(jù)，顯示在窗口中。通過設(shè)置VB定時(shí)器控件的interval參數(shù)來控制讀取時(shí)間。可見，上位機(jī)利用VB編寫程序，十分方便，這是一種成熟的模塊化語言，只要把參數(shù)給定，很快可以實(shí)現(xiàn)編程。

3 下位機(jī)通信程序編寫

MAXPLUSII里有許多常用的宏單元，如計(jì)數(shù)器、四則運(yùn)算、各類邏輯門乃至ROM、RAM等；而在這些宏單元里具體的參數(shù)都可以由用戶來自行設(shè)定，這就是上面提到的IP核形式。由于CPLD數(shù)字設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，不同層次的IP（intellectual Property）核將出現(xiàn)。各個(gè)IP核可重復(fù)利用，大大提高了設(shè)計(jì)能力和效率，避免了重復(fù)勞動(dòng)。以下設(shè)計(jì)的是下位機(jī)的IP核，它是一個(gè)波特率、起始位、停止位均可設(shè)定的宏單元。

MAXPLUSII的AHDL（Altera Hard ware Description Language）是Altera公司開發(fā)的完全集成于MAXPLUSII中的一種模塊化高級(jí)語言，特別適合于描述復(fù)雜的組合邏輯、組運(yùn)算、狀態(tài)機(jī)和真值表。本文利用AHDL，直接生成IP核。

設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是生成如圖1所示的Symbol。其參數(shù)可以由用戶設(shè)定（如圖1的右上角），選擇先送（收）串行數(shù)據(jù)最高位或最低位、數(shù)據(jù)寬度、停止位等。

設(shè)計(jì)思想是利用狀態(tài)機(jī)的3種狀態(tài)send(receive)、wait、idle，系統(tǒng)時(shí)鐘為輸入的CLK，在這3種狀態(tài)間變換。而BAUD為CLK分頻后的波特率時(shí)間。發(fā)送時(shí)，當(dāng)BAUD上升沿時(shí)，輸出1位串行數(shù)據(jù)。輸出全部結(jié)束時(shí)，BUSY端出現(xiàn)低電平信號(hào)，這時(shí)利用LOAD信號(hào)可以從D端讀取并入的數(shù)據(jù)。由于使用的是AHDL，這種狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)起來非常方便，程序簡(jiǎn)潔明了。圖2所示為狀態(tài)機(jī)圖。

程序清單如下：

CASE Ss IS --狀態(tài)機(jī)

WHEN idle =>

IF Load THEN

Ss=wait;

ELSE

Ss=idle;

END IF;

WHEN wait =>

IF Baud THEN

Ss=send;

ELSE

Ss=wait;

END IF;

WHEN send =>

IF count[]!=0 THEN

Ss=wait;

ELSE

Ss=idle;

END IF;

WHEN OTHERS =>

Ss=idle;

END CASE;

TxD=InShift[WIDTH+1]; --TXD串出

IF Ss!=idle THEN --控制BUSY

Busy=VCC;

END IF;

CASE Ss IS

WHEN idle =>

count[]=WIDTH+STOP_BITS; --等傳送的位數(shù)

WHEN send =>

count[ ]=count[ ]-1;

WHEN OTHERS =>

Count[]=count[]；

END CASE；

CASE Ss IS --控制輸入寄存器

WHEN idle =>

IF MSB_FIRST= =“YES”GENERATE

DTMP[]=D[];

ELSE GENERATE

FOR each_bit IN 0 TO WIDTH-1 GENERATE

DTMP[WINDTH-1-each_bit]=D[each_bit];

END GENERATE;

END GENERATE;

InShift[]=(1,0,DTMP[]);

WHEN send =>

InSift[WIDTH+1..1]=InShift[WIDTH..0];

InShift[0]=VCC;

WHEN OTHERS=>

InShift[]=InShift[];

END CASE;

圖3為仿真波形，系統(tǒng)時(shí)鐘CLK為6MHz，50分頻后得到周期為868ns的時(shí)鐘BAUD，即波特率為115 200 bps。設(shè)定為從高位到低位依次傳送：起始位1位，低電平；8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，為高電平。圖3中顯示分別傳送十進(jìn)制數(shù)20、21、22、23（即二進(jìn)制數(shù)00010100 00010101 00010110 00010111）的情況，LOAD信號(hào)一直有效。可見，傳送1個(gè)數(shù)據(jù)總共有10位，1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位。按照波特率115 200 bps，傳送1個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間為86.8μs。這個(gè)數(shù)度充分體現(xiàn)了CPLD的優(yōu)勢(shì)，比單片機(jī)MCU串行傳輸要快上10倍以上。如果上位機(jī)UART允許，這個(gè)速度還可以增大到接近MCU串行傳輸?shù)?00倍，即波特率為921 600 bps。

設(shè)計(jì)完成通過仿真以后，通過編程電磁將生成的pof文件用ISP（在線編程）方式下載到CPLD板EPM7128LC84-6，外接RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片HIN232CP。經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，CPLD和PC機(jī)接口通信，上位機(jī)用VB編寫程序。試驗(yàn)證明，在高速情況下，通信正常。